康顯強(qiáng)

(山西高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治 046102)

我國(guó)資源儲(chǔ)量豐富，整體能源格局為多煤、少油、貧氣。隨著多年的開(kāi)采，煤炭資源的儲(chǔ)量日益減少，為解決煤炭資源消耗過(guò)快的問(wèn)題，提出用清潔能源代替化石能源的目標(biāo)。但由于我國(guó)清潔能源處于起步階段，風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等清潔能源無(wú)法直接替代化石能源，所以煤炭資源的開(kāi)采仍是我國(guó)主要的能源消耗保障。在目前的煤炭市場(chǎng)環(huán)境下，煤炭做為不可再生的化石能源，節(jié)約煤炭資源、提高煤炭采出率已成為煤炭企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。采用沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采可增加煤炭資源回收率，提高煤炭企業(yè)服務(wù)年限，該方法被越來(lái)越多的礦井采納。此前眾多學(xué)者對(duì)不同切頂參數(shù)下巷道的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)裂切頂技術(shù)能夠有效提升煤炭資源的回收率，降低巷道圍巖變形和維護(hù)成本[3-4]。本文以高河礦為研究背景，對(duì)沿空留巷圍巖的支護(hù)進(jìn)行研究，為礦井沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采提供一定的參考。

1 力學(xué)試驗(yàn)研究

高河礦W1319工作面煤層總厚度為2～3 m，平均厚度為2.78 m，煤層賦存穩(wěn)定，全部可采。工作面煤層總體呈走向東北-西南，傾向東南的單斜構(gòu)造，地層傾角變化不大，為1～10°，平均傾角6°。工作面煤層內(nèi)有0～2層夾矸，黑色，裂隙較發(fā)育，條帶狀結(jié)構(gòu)層理不發(fā)育，節(jié)理和裂隙比較發(fā)育；該煤層呈黑色，強(qiáng)玻璃光澤，斷口具階梯狀，容重1.40 t/m3，硬度為2.0左右。

現(xiàn)在回采的工作面，直接頂板為厚度2.7 m的灰?guī)r；老頂全區(qū)分布，巖性為K2石灰?guī)r，厚層狀，質(zhì)堅(jiān)硬，性脆，厚度1.40～13.55 m，303孔R(shí)QD值為36%，巖石質(zhì)量為劣等，巖體完整性差，飽和抗壓強(qiáng)度為34.8～37.6 MPa，為中等穩(wěn)定頂板。

將采空區(qū)頂板垮落的巖石，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，將垮落巖石利用水鉆及打磨機(jī)制作成標(biāo)準(zhǔn)試件，利用壓力機(jī)對(duì)試件進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，試件及試驗(yàn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 試件及試驗(yàn)

試件經(jīng)過(guò)打磨后，安裝至單軸壓力機(jī)，在進(jìn)行試驗(yàn)前，將壓力機(jī)的軸型座涂抹黃油，保證試件受力均勻，避免試件出現(xiàn)應(yīng)力集中，發(fā)生剪切破壞，將試件進(jìn)行編號(hào)，統(tǒng)計(jì)試件的抗壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

同樣對(duì)頂板試件進(jìn)行抗拉、抗剪強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)巖石的抗拉抗剪強(qiáng)度，如表2和表3所示。

表2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)和礦方送樣到實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的頂板巖石力學(xué)參數(shù)得知，頂板抗壓強(qiáng)度為45.4～58.1 MPa，平均50.34 MPa；抗拉強(qiáng)度為3.89～6.42 MPa，平均5.44 MPa；抗剪強(qiáng)度為13.67～17.06 MPa，屬于中等穩(wěn)定頂?shù)装濉８鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)查看，本礦井地質(zhì)構(gòu)造較多，巷道頂板完整性變化較大，無(wú)節(jié)理裂隙段，在地質(zhì)構(gòu)造和節(jié)理裂隙發(fā)育段，頂板完整性較差，圍巖穩(wěn)定性較差，需要加強(qiáng)支護(hù)。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)研究

工作面推進(jìn)過(guò)程中，不同位置巷道受到的采動(dòng)影響不同。工作面超前段會(huì)受到超前支承壓力的影響。工作面開(kāi)采后，頂板開(kāi)始垮落，且從垮落到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此距工作面較近的架后區(qū)域不僅需要進(jìn)行頂板支護(hù)，還需進(jìn)行擋矸支護(hù)。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)巷道距工作面較遠(yuǎn)時(shí)，頂板運(yùn)動(dòng)基本會(huì)趨于穩(wěn)定，此時(shí)可將架后臨時(shí)支護(hù)的設(shè)備撤掉(或部分撤掉)，只進(jìn)行擋矸支護(hù)即可。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，巷道沿空留巷可劃分為4個(gè)區(qū)：超前補(bǔ)強(qiáng)區(qū)，超前支護(hù)區(qū)(工作面前方20 m)，滯后臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)區(qū)(架后暫定0～200 m)和成巷穩(wěn)定區(qū)(架后暫定200 m之后)，如圖2所示。

圖2 沿空留巷區(qū)段劃分

為了保證留巷的穩(wěn)定性，根據(jù)巷道圍巖條件，結(jié)合現(xiàn)有支護(hù)參數(shù)，確定采取錨索補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，保證巷道的穩(wěn)定性。工作面采動(dòng)影響可分為兩段，即超前采動(dòng)影響和采動(dòng)后影響。超前支護(hù)區(qū)位于工作面超前采動(dòng)影響范圍內(nèi)，滯后臨時(shí)支護(hù)區(qū)位于工作面煤壁后方。

頂板完整段錨索補(bǔ)強(qiáng)加固：在頂板補(bǔ)打2排錨索，錨索采用D21.8-1×19-8 000 mm鋼絞線。第一排補(bǔ)強(qiáng)錨索距留巷幫1 100 mm(9105工作面?zhèn)?，排距1 000 mm；第二排補(bǔ)強(qiáng)錨索距第一排錨索間距2 000 mm，排距2 000 mm。錨索均垂直于頂板方向布置，選用300 mm×300 mm×16 mm的托盤(pán)。

第一排和第二排同時(shí)有錨索時(shí)，錨索之間用W鋼帶連接(W鋼帶垂直于巷道軸向)。W鋼帶規(guī)格：寬度280 mm、長(zhǎng)度2 400 mm、孔間距2 000 mm、厚度3 mm。錨索使用1卷MSCK2360和2卷MSK2360樹(shù)脂錨固劑錨固，錨索錨固力不小于500 kN，預(yù)緊力不小于150 kN。

頂板裂隙段錨索補(bǔ)強(qiáng)加固：重新補(bǔ)打2排錨索，錨索采用D21.8-1×19-8 000 mm鋼絞線，補(bǔ)打后錨索排距1 000 mm，間距2 000 mm，第一排補(bǔ)強(qiáng)錨索距留巷幫1 100 mm(9105工作面?zhèn)?，錨索均垂直于頂板方向布置，選用300 mm×300 mm×16 mm的托盤(pán)。

錨索之間用W鋼帶連接(W鋼帶垂直于巷道軸向)。W鋼帶規(guī)格：寬度280 mm、長(zhǎng)度2 400 mm、孔間距2 000 mm、厚度3 mm。錨索使用1卷MSCK2360和2卷MSK2360樹(shù)脂錨固劑錨固，錨索錨固力不小于500 kN，預(yù)緊力不小于150 kN。支護(hù)斷面如圖3所示。

圖3 頂板支護(hù)斷面示意(mm)

根據(jù)沿空留巷技術(shù)要求，在巷道內(nèi)進(jìn)行巷道表面位移監(jiān)測(cè)、巷道頂板離層監(jiān)測(cè)、錨索受力監(jiān)測(cè)和巷道單體液壓支柱載荷(含活柱下縮量)監(jiān)測(cè)四種監(jiān)測(cè)手段。距切眼每50 m設(shè)1個(gè)測(cè)站；每個(gè)測(cè)站由1套頂板離層監(jiān)測(cè)儀、1套錨索受力監(jiān)測(cè)儀和4個(gè)巷道表面位移測(cè)點(diǎn)組成。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，沿空留巷實(shí)現(xiàn)了無(wú)煤柱開(kāi)采，消除了煤柱影響區(qū)的應(yīng)力集中，防止礦井發(fā)生沖擊礦壓或煤與瓦斯突出，最大限度地減少了采空區(qū)遺煤，降低了礦井自燃發(fā)火幾率，有利于礦井防止內(nèi)因火災(zāi)，從根源上改善礦井安全生產(chǎn)環(huán)境。每個(gè)回采工作面可以少掘1條巷道，回采巷道掘進(jìn)率降低40%以上，極大地緩解了礦井采掘銜接矛盾。采區(qū)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)連續(xù)開(kāi)采，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，礦井開(kāi)采安全可靠性顯著提高，向本質(zhì)安全型礦井的建設(shè)目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)給出了巷道頂板的抗拉、抗壓及抗剪強(qiáng)度，在礦山原有支護(hù)的基礎(chǔ)上，提出以“巷道提前錨索補(bǔ)強(qiáng)加固，靠近工作面幫(采空區(qū)側(cè))采用單體液壓支柱配合十字鉸接頂梁的支護(hù)方案”。通過(guò)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)支護(hù)后，有效改地善了礦井安全生產(chǎn)環(huán)境，為礦井創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。